工业以太网PROFINET在站台门系统中的应用及优化.pdf

83城轨交通URBAN RAIL TRANSIT工业以太网PROFINET在站台门系统中的应用及优化李安福（西安铁路信号有限责任公司，西安 710100）摘要：介绍站台门系统的系统组成、工作原理，以及国内外城市轨道交通站台门行业两种主流的现场总线控制系统：以 CAN-BUS 或 Modbus 为代表的第一代现场总线为核心的站台门控制系统；和以 Profinet 工业以太网为代表的第二代现场总线为核心的站台门控制系统。详述它们的网络构成、拓扑结构以及系统优缺点。针对现有系统中通信网络复杂、节点数量多等问题，提出通过整合增强 DCU 功能和采用双主站冗余等措施的改进方案。该方案对于站台门系统的产业升级和工业以太网在站台门系统的推广应用具有较好的工程应用和指导意义。关键词：现场总线；Profinet；工业以太网；站台门系统；屏蔽门系统中图分类号：U239.5 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)08-0083-07Application and Optimization ofIndustrial Ethernet PROFINET in Platform Door SystemsLi Anfu(Xian Railway Signal Co.,Ltd.,Xian 710100,China)Abstract:This paper introduces the system composition and working principles of the platform door systems,as well as two mainstream fi eldbus control systems in the platform door industry of urban rail transit at home and abroad:the systems with the fi rst generation of fi eldbus as the core,represented by CAN-BUS or Modbus;and the systems with the second generation fi eldbus as the core,represented by Profinet industrial Ethernet.Their network composition,topology,and system advantages and disadvantages are detailed in this paper.Aiming at solving the problems of complex communication network and a large number of nodes in the existing systems,an improved scheme is proposed,which is enhancing the DCU function through integration and adopting dual-master redundancy.The scheme has good engineering applications and guiding signifi cance in the fi eld of the industrial upgrading of the platform door systems and the popularization and application of industrial Ethernet in such systems.Keywords:fi eldbus;profi net;industrial Ethernet;platform door system;platform screen door systemDOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.08.016收稿日期：2022-03-23；修回日期：2023-07-13基金项目：西安铁路信号有限责任公司科研项目（2600-G5160001）第一作者：李安福（1972），男，高级工程师，本科，主要研究方向：应答器系统、道岔融雪系统、站台门系统等研发工作，邮箱：。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月，第20卷第8期84U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT城市轨道交通站台屏蔽门系统(Platform Screen Doors System，PSD)是安装于地铁、轻轨、城际、公交、高铁等交通车站站台，将轨道与站台候车区隔离，可多级控制开启与关闭的滑动的连续屏障。站台门系统是集建筑、机械、电气、计算机网络、自动控制和信息等多门学科技术为一体的综合性产品工程，是站台安全防护设施。站台门包括屏蔽门（全高）和安全门（半高），主要由门体结构、门机系统、电源系统和监控系统 部分组成。监控系统是站台门系统的核心子系统，主要作用是不断采集来自于信号系统(Signalling，SIG)、中央控制盘(Platform Screen Door Central Control Panel，PSC)、综合后备盘(Integrated Backup Panel，IBP)、就 地 控 制 盒（Local Control Box，LCB）等控制点的控制信息，按其控制优先级进行逻辑处理，形成控制命令，通过控制硬线指挥各门控单元(Door Control Unit，DCU)进行开/关门动作，并驱动电磁阀、声光报警信息等；对整个屏蔽门系统运行状态及参数进行实时监测，并将相关信息反馈给 SIG 和机电设备监控系统（Electrical and Mechanical Control System，EMCS）等其他系统。监控系统包括 PSC、单元控制器(Platform Edge Door Controller，PEDC)、就地控制盘（Platform Screen Door Local Control Panel，PSL）、IBP、DCU、综合监控系统(Multiple Monitor System，MMS)、LCB、控制局域网、网间通讯协议转换器、安全继电器回路设备、通讯总线及协议转换器等。其中 PEDC、DCU、MMS 之间通过通信网络、总线相连，进行信息交换；且 MMS 还与系统之外的 EMCS 相连，将整个 PSD 的系统工作状态和数据传送给它。所以，它们之间采用的通信方式、网路拓扑结构直接关乎整个网络的通信速度、可靠性、安全性以及可扩展性。1采用第一代现场总线的站台门监控系统目前，国内大多数站台门系统供应商采用如图 所示的网络模式和拓扑结构。PEDC、DCU、MMS 之间通常采用 CAN-BUS 或 Modbus 等第一代现场总线；MMS 通常采用工控机+Windows，PEDC 通常采用 PLC，而 DCU 为各公司自研的专用电机控制产品。为保证通信的可靠，上、下行两个方向均采用两套通信总线，形成冗余。在总线上的各个节点中，MMS 作为通信的主站，其他各节点作为从站。每个通信周期中，都由 MMS 发出呼叫指令，呼叫总线上某个或全部节点；各节点收到呼叫指令后，对指令进行解析，如果指令中的目的地址与自己的地址相匹配，则按规定的时段内发送相应的应答信息；否则忽略此命令。当 PEDC 收到 MMS 呼叫自己的指令时，发送相应的应答信息，表示 PEDC 在线状态；除此之外 PEDC 处于监听总线的状态，只处理有关安全回路、开门到位、关门到位等传感器的信息，不发应答信息。当各 DCU 收到 MMS 呼叫自己的指令时，将采集到的门位置、电机状态、电磁阀状态、传感器状态等信息，在规定的时段内发送给 MMS；同时接收、保存来自 MMS 设定的各种参数、开/关门曲线等。通信时在两条总线上同时发送；接收端收到任何一条总线上的信息有效时，即认为本次通信成功。MMS、PSA/ISCS 及 EMCS 之间通过交换机组成以太网网络，MMS 将站台门的相关信息发送给PSA/ISCS 及 EMCS，同时接受它们的查询等任务。PEDC 和 MMS 都属于 PSC 一部分，通常布置在车站的机械室。PSC 与各 DCU 的距离最远可达 m。为了保证通信的误码率，按照 CAN 和Modbus 通信波特率与总线长度的关系，相应的波特率设置为不应超过 kbit/s。对于采用一控两驱 DCU 的站台门系统来说，站台一侧 DCU 的数量为 个；站台门系统的相关标准中，要求全部节点的轮询周期不超过 s，那么分配给每个节点的通信时间长度不会超过 ms，每个节点发送的数据不超 kbytes，信息量较少，只能传送如DCU 的工作状态、传感器的状态等，无法实时传送铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月85城轨交通URBAN RAIL TRANSIT如门体速度曲线、电机电流曲线等数据量较大的信息。而对于采用一控一驱 DCU 的安全门系统来说，站台一侧 DCU 的数量增加 倍，达到了 个，这样分配给每个 DCU 的通信间隔就更短，传送的信息量就更少。2采用工业以太网的站台门监控系统近年来，随着以太网的日益成熟和应用普及，以太网技术已经深入到人们日常生活中的方方面面；同时，从以太网技术延伸出的工业以太网技术在工业自动化系统中也扮演着至关重要的角色，应用也越来越广泛，成为新一代现场总线的发展趋势。工业以太网具有以下几个主要优点。）速度高：工业以太网将第一代现场总线最高速度从 Mbit/s 提高到现在的 Mbit/s，极大解决了速度瓶颈问题；）实时性好：传统以太网的数据传输延时一般在 ms 以上，而自动化行业所需的延时一般要求 ms 以下，所以传统以太网无法满足自动化领域对实时性的需求。而工业以太网具有低延时性能，可将延时降低到几十 s；）可靠性高：以太网的设计之初并不是以工业环境为应用场景。所以当它用到工业现场，面对恶劣的工作环境，严重的线间干扰等情况时，必然会引起设备的可靠性降低。而工业以太网完全满足这些要求，且具有可恢复性、可维护性等，保证网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序、操作系统、甚至网络系统的崩溃或瘫痪；它还满足工业环境的抗冲击、耐振动、工作温度范围宽、耐腐蚀、防尘、防水和较好的电磁兼容性等方面的要求。目前，全世界主流工业以太网标准有 Ethernet/IP、Profi net、Powerlink、EtherCAT、Sercosiii等。各种总线标准各有优缺点，目前 Z 站台门系统采用 Profinet 标准，它是德国西门子公司于 年发布的工业以太网的规范，并一直在完善和图采用现场总线的站台门监控系统Fig.1 Platform door monitoring system using fieldbus信号系统(SIG)综合后备盘(IBP)综合监控系统(PSA/ISCS)开/关门命令互锁解除使用信息使用信息使用信息使用信息车站系统车站控制室机电设备监控系统(EMCS)车站控制室PSC下行PEDC(MMS)上行PEDC上行DCU上行DCU上行DCUn上行硬线上行CAN-BUS/Modbus下行DCU下行DCU下行DCUn下行硬线下行开/关门命令综合监控系统上行通信接口站台门系统开/关门命令下行PSL上行PSL以太网以太网上行通信接口下行通信接口下行通信接口上行通信接口上行通信接口下行通信接口下行通信接口上行开/关门命令上行CAN-BUS/Modbus下行CAN-BUS/Modbus下行CAN-BUS/Modbus上行开/关门命令下行开/关门命令上行硬线下行硬线上行安全回路下行安全回路下行安全回路屏蔽门n的取值表安全门上行安全回路DCU类型一控两驱一控一驱No.8李安福：工业以太网PROFINET在站台门系统中的应用及优化86U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT发展。先从一个简单拓扑结构的 Profinet 网络讲述其特点。如图 所示，整个网络由一个 Profinet 主站、n 个 Profinet 从站组成。主站和从站都有两个RJ-接口，一个 IN，一个 OUT。主站的 OUT 与从站 的 IN 相连，从站 的 OUT 与从站 的 IN相连，依次类推，最后一个从站 n 的 OUT 再回到主站的 IN，这样就组成了一个简单的 Profinet 环网。主站呼叫从站，各从站按要求应答。假如，当从站 和从站 之间的线路故障时，从站 和从站 通过前面的线路与主站进行通信，而从站 和从站 从站 n 通过后面的线路与主站进行通信，这样就实现了故障环网冗余功能。该网络还有一个特点，它将线缆用量节省到最大。如果采用以太网将各节点组网，最简单有效的拓扑结构是菊花型，以交换机为中心，每个节点到交换机都需要一条线缆，线缆用量较大；而且这样的网络还没有冗余功能。所以 Profinet 网络的低成本和冗余功能也是其优势之一。图简单的Profinet环形网络Fig.2 Simple Profinet ring networkProfinet从站Profinet主站INOUTIN OUTProfinet从站IN OUTProfinet从站IN OUTProfinet从站nIN OUT在 Z 站台门系统中，采用了如图 所示的网络拓扑。DCU 由 ATES、Profinet 通信模块、LOGO PLC、ET 交换机等组成。LOGO PLC 实时采集命令硬线上的开/关门指令，通过 I/O（输入/输出）方式通知 ATES 进行开/关门动作；在开/关门过程中，驱动报警灯和蜂鸣器，给出声光报警信号；并实时采集门的位置、电磁阀节点、各传感器的状态等信息；各 LOGO PLC 通过 ET 交换机与 Profinet 交换机（U）组成一条线性以太网网络；Profinet 交换机（U）、PEDC（U）、PN主站（U）组成 Profinet 网络。这样，各 LOGO PLC 融入到整个 Profi net 网络。在 DCU 中，ATES 与 Profinet 通信模块通过内部高速接口，将其工作状态、门体速度曲线、电机电流曲线实时传送给 Profinet 通信模块，各Profinet 通信模块与 Profinet 交换机（U）组成标准的、具有冗余功能的环形 Profinet 网络。这样各 ATES 也融入整个 Profi net 网络。由于当网络上任何相邻节点之间的距离超过 m时，信号衰减将导致通信速度下降甚至通信故障，这一问题在网络布线时要特别关注，按如下方式布线就可满足距离要求；图中各Profinet节点连接顺序为：Profinet 交换机（U）DCU DCU DCUDCUDCUDCUProfinet交换机（U）。而以太网各节点的连接顺序为：Profinet 交换机（U）DCU DCU DCU DCU。另外，由于 Profinet 交换机（U）和各 DCU 安装在站台侧，而 PEDC（U）、PN 主站（U）、MMS/ISCS（U）等安装在车站机械室中，在有的站场中会遇到 Profinet 交换机（U）与 PEDC（U）之间的距离大于 m 的情况，这时可使用光纤传输，在 PEDC 侧加装一个光纤模块（U），而 Profi net 交换机（U）本身是带有光纤接口的，可直接使用。光纤模块（U）的使用，提高了通信距离和信号质量。整个 Profi net 通信网络的主站是 S-PLC（U），它负责对整个站台一侧网络上的 DCU、PEDC 等从站发起轮询；各从站收到呼叫自己的指令后，对指令进行解析，按要求进行回答。S-PLC 不仅有 Profinet 接口，还具有标准的以太网接口。两个方向的 S-PLC 通过以太网接口、以太网交换机与 MMS/ISCS（U）、EMCS（U）组成网络，最终两个方向的站台门系统的全部信息显示在 MMS 和 EMCS 上，并有存储、查询、打印等功能。在图 的网络中，Profinet 和 Ethernet 的网络速度都是 Mbit/s，这样就极大提升了整个网铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月87城轨交通URBAN RAIL TRANSIT络的速度，使系统的轮询周期变得很短。系统的信息量也大幅度提高，可实时查询门体速度曲线、电机电流曲线等数据量较大的信息。3优化虽然图 的控制系统和网络具有很多优点，但还有很大的改进空间。）通信网络复杂：连接DCU 有两条网络，一条是由 LOGO PLC、ET 交换机和 Profinet 交换机组成的线性以太网；另一条是由各 Profinet 通信模块和 Profinet 交换机组成的环形的 Profinet 工业以太网，两条不同标准的网络并存使网路显得有些复杂；）节点数量多：由于 DCU 是一控一驱，对于屏蔽门系统来说需要 个，整个 Profinet 网络的负荷还算适度。但对于半高的安全门系统就需要 个，整个 Profinet 网络的负荷比较大；）组成 DCU 部件太多：由于DCU 是以 ATES 为核心来搭建的，而 ATES的 I/O 资源较少，所以采用小型化的 PLC 进行 I/O扩展。这样 DCU 就由 ATES、Profinet 通信模块、LOGO PLC、ET 交换机等组成，显得较复杂。为此，Z 新一代站台门系统极大地整合了系统资源。）将通信网络统一成 Profinet 工业以太网一种制式；）将 DCU 设计成一控两驱，不管是全高屏蔽门还是半高安全门都只需要 个；)将LOGO PLC 承担的 I/O 功能整合到 DCU 中，这样也就不需要 ET 交换机了。如图 所示，DCU 为一控两驱，它具有丰富的I/O 功能，整合了 LOGO PLC 的功能。单侧站台仅需 个；PN 为 Profinet 交换机，通过高速接口（如 CAN、Modbus 等）与 DCU 通信，DCU的所有信息都先发送给它，它以 Mbit/s 的速率在 Profinet 环网中与主站进行通信；上、下行各有一个环网，两个主站通过以太网交换机与 MMS 和EMCS 交换信息。如图 所示，它将上、下行所有 个 DCU、个 PEDC、个 PN 主站整合成一个大的环网，该环网的 PN 主站也具有冗余功能，当一个主站故障时，整个网络仍可以正常工作。但节点数量较多，网络负荷有些大，需在冗余和速度两方面权衡。4总结随着世界范围内工业.和物联网的大力推广，以 Profinet 为代表的工业以太网产品越来越多的服务于工业现场；反过来各种应用需求又加速使各大IT 厂商推出更多的产品以满足各种应用场景和需求。本文介绍的以 Profinet 工业以太网为核心的控制系统已成功运用于西安地铁、号线路及全国其他线路；相比于采用第一代现场总线 CAN-BUS 或 Modbus 等总线的控制系统来说，采用工业以太网的控制系统的信息量更大、反应周期更快、运营效率更高、维护更精准快捷。随着工业以太网技术和产品的不断发展和完善，站台门的控制系统图采用工业以太网的站台门监控系统Fig.3 Platform door monitoring system using industrial Ethernet上行Profinet交换机(X-TS)ENPNPNEN:EthernetPN:Profinet上行PEDC(PLC+PN通信模块)(ET+BAx RJ)上行PN主站(PLC:S-xx)以太网交换机(Phonix FL SwitchSFNB TX)综合监控系统(MMS/ISCS)PNP NPNPNEN下行PN主站ENENEN综合后备盘(IBP)上行PSL信号系统(SIG)机电设备监控系统(EMCS)ENATESPN通信模块LOGOPLCET交换机ATESPN通信模块LOGOPLCET交换机ATESPN通信模块LOGOPLCET交换机ATESPN通信模块LOGOPLCET交换机ATESPN通信模块LOGOPLCET交换机ATESPN通信模块LOGOPLCET交换机DCUDCUDCUDCUn-DCUn-DCUnUUU光纤模块PNUUUUSCALANCEX-屏蔽门n的取值表安全门DCU类型一控两驱一控一驱No.8李安福：工业以太网PROFINET在站台门系统中的应用及优化88U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT也会不断发展和完善。参考文献1 陈曦.大话 Profinet 智能连接工业 4.0M.北京:化学工业出版社，2017.2 王平，谢昊飞，肖琼.工业以太网技术 M.北京:科学出版社，2007.3 王德吉.西门子工业网络通信技术详解 M.北京:机械工业出版社，2012.4 崔坚，西门子（中国）有限公司.SIMATIC S7-1500 与 TIA 博途软件使用指南 M.北京:机械图单主站环网的站台门监控系统Fig.4 Platform door monitoring system based on a ring network with a single master station上行Profinet交换机(X-TS)PNPNEN:EthernetPN:Profinet上行PEDC(PLC+PN通信模块)(ET+BAx RJ-)上行PN主站(PLC:S-xx)以太网交换机(Phonix FL SwitchSFNB TX)综合监控系统(MMS/ISCS)PNPNPNPN下行PN主站ENENEN机电设备监控系统(EMCS)EN光纤模块PNSCALANCEX-上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)图双主站环网的站台门监控系统Fig.5 Platform door monitoring system based on a ring network with double master stationsPN:Profinet上行PEDC(PLC+PN通信模块)(ET+BA xRJ-)上行PN主站(PLC:S-xx)以太网交换机(Phonix FL SwitchSFNB TX)综合监控系统(MMS/ISCS)PNPN机电设备监控系统(EMCS)EN:Ethernet上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)上行PN交换机上行DCU(一控两驱)下行PEDC(PLC+PN通信模块)(ET+BAx RJ-)下行PN主站(PLC:S-xx)PN同 步ENENENENPNPN工业出版社，2020.5 肖贺，管海兵，宦飞.工业以太网冗余技术分析 J.信息安全与通信保密，2012，10（3）：59-63，67.Xiao He,Guan Haibing,Huan Fei.Analysis of Redundancy Technology for Industrial EthernetJ.Information Security and Communications Privacy,2012,10(3):59-63,67.6 刘光平.基于 CAN 总线的地铁屏蔽门控制系统研究 J.重庆工商大学学报(自然科学版)，2012，29（12）：66-71.铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月89城轨交通URBAN RAIL TRANSITLiu Guangping.Research on Control System of Metro Platform Screen Door Based on CAN BusJ.Journal of Chongqing Technology and Business University(Natural Science Edition),2012,29(12):66-71.7 董洪卫，赵博伦.全自动运行系统站台门间隙探测与信号系统接口探究 J.铁路通信信号工程技术，2021，18（9）：69-72.Dong Hongwei,Zhao Bolun.Interface between Platform Door Gap Detection and Signal 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可谓日立铁路公司、热那亚公共交通公司以及热那亚市政府合作的产物，旨在通过提供满足热那亚大量乘客的“最后一公里”需求，鼓励使用公共交通工具并且租用电动车辆。通过将公营和私营运输系统整合，这个应用程允许用户规划、预定多式联运旅程，并且为此支付票款。这个应用程序总共将 663 辆巴士、2 500 个公交车站、每年运量达到 1 500 万人次的一条地铁线路、两条缆车线路、具有历史意义的一条山区铁路线路、10 个公共电梯和全长 50 km的两条郊区公交线路连接起来。此外，这个应用程序允许用户通过按动手机上面的一个按钮，租用电动小汽车、支付停车费用，或者找到电动摩托车。这个应用将会自动检测用户乘坐热那亚的公交、有轨电车和地铁支付的总票款何时达到周卡的价格（17.50 欧元）。在总票款达到这个上限后，用户可以在当周剩余时间内免费乘车，无需额外支付费用。如果用户频繁乘坐公共交通工具，将会可以节省大量支出，例如，乘客每周五天乘坐巴士和地铁上下班，通过使用周卡可以直接节省 12.50 欧元。通过使用这个应用程序，不再需要排队购买传统纸质车票，或者为了使用不同交通服务下载多个应用程序。这个360Pass 应用程序连接热那亚各个车辆和车站的 5G 蓝牙传感器，以便识别乘客的上车时间、旅行距离和下车时间。这样，即便用户乘坐多种交通工具，也能支付最低票款。除了上述商业应用此外，通过日立铁路公司与意大利国家铁路集团（Trenitalia）新近的合作，这个应用程序的用户将会可以乘坐区域和城际列车以及热那亚的公共交通工具，并且可以享受每周最低票价。通过这个 360Pass 应用程序，乘客可以获得最为迅速、方便的多式联运线路选项和实时旅程信息更新，并且可以查询公交服务的频率，根据自动的需要选择乘客较少的班次。为了突出这项技术的价值，日立铁路公司近期委托他方，开展有关公共交通的一项全球民意研究，根据这项研究，如果可以获得每个班次的拥挤程度的实时信息，73%的受访者将会更有可能乘坐公共交通工具。(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司 刘旸翻译自： 2023-07-31）